[논문]계면활성제를 이용하여 anatase TiO2 나노 입자와 결합된 rutile TiO2 분말의 광촉매 특성

변종민; 박천웅; 김영인; 김영도

doi:10.4150/kpmi.2018.25.3.257

계면활성제를 이용하여 anatase TiO2 나노 입자와 결합된 rutile TiO2 분말의 광촉매 특성
Photocatalytic activity of rutile TiO2 powders coupled with anatase TiO2 nanoparticles using surfactant 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.25 no.3, 2018년, pp.257 - 262

변종민 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 박천웅 (한양대학교 신소재공학과) , 김영인 (한양대학교 신소재공학과) , 김영도 (한양대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The coupling of two semiconducting materials is an efficient method to improve photocatalytic activity via the suppression of recombination of electron-hole pairs. In particular, the coupling between two different phases of $TiO_2$, i.e., anatase and rutile, is particularly attractive for photocatalytic activity improvement of rutile $TiO_2$ because these coupled $TiO_2$ powders can retain the benefits of $TiO_2$, one of the best photocatalysts. In this study, anatase $TiO_2$ nanoparticles are synthesized and coupled on the surface of rutile $TiO_2$ powders using a microemulsion method and heat treatment. Triton X-100, as a surfactant, is used to suppress the aggregation of anatase $TiO_2$ nanoparticles and disperse anatase $TiO_2$ nanoparticles uniformly on the surface of rutile $TiO_2$ powders. Rutile $TiO_2$ powders coupled with anatase $TiO_2$ nanoparticles are successfully prepared. Additionally, we compare the photocatalytic activity of these rutile-anatase coupled $TiO_2$ powders under ultraviolet (UV) light and demonstrate that the reason for the improvement of photocatalytic activity is microstructural.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 계면활성제를 이용한 합성과 열 처리를 통해 rutile TiO₂ 분말의 표면에 나노 크기의 anatase TiO₂ 분말이 커플링된 rutile-anatase coupled TiO₂ 분말을 제조하였으며, 계면활성제가 anatase TiO₂ 나노 입자와 rutile TiO₂ 분말 간의 접촉 및 결합 상태에 미치는 영향과 광촉매 효율의 변화, 그리고 이들의 상관관계를 분석하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 rutile TiO₂ 분말의 표면에 화학적인 방법과 계면활성제를 사용하여 Ti(OH)₄를 석출시키고 이를 열 처리하여 anatase TiO₂ 나노 입자가 표면에 분산되어 있는 rutile-anatase coupled TiO₂ 분말을 제조하였다.
또한 흡착에 의한 변수를 차단하기 위해 자석 교반기를 넣고 250 rpm으로 회전시키며 2시간 동안 암실에 두어 분말에 메틸렌 블루를 충분히 흡착시켰다. 흡착이 끝난 rutile-anatase coupled TiO₂ 분말은 암실에서 365 nm의 파장을 갖는 자외선을 10 cm 거리에서 최대 30분까지 5분 단위로 조사하였으며, 각각의 용액은 UV-visible 분광기(Agilent Technologies, Agilent 8435)를 사용하여 메틸렌 블루의 농도 변화를 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 순도 99.9%, 입도 5 μm 이하의 rutile TiO₂ 분말(Sigma-Aldrich, Japan)을 시작분말로 사용하였으며, 200 mL 비이커에 rutile TiO₂ 분말 0.5 g과 증류수 100 mL를 넣고 자석 교반기를 이용하여 250 rpm의 속도로 20분간 교반 후 계면활성제인 triton X-100 (Sigma-Aldrich, USA)를 1~3 g까지 첨가하고 다시 250 rpm의 속도로 20분간 교반하였다. 이후 순도 99.

성능/효과

상이 확인되었다. anatase TiO₂ 나노 입자와 rutile TiO₂ 분말을 습식 혼합한 혼합 분말의 경우에는 anatase TiO₂ 나노 입자들이 약 20 nm 크기로 응집되어 존재하였으나 합성을 통해 제조된 rutileanatase coupled TiO₂ 분말은 상대적으로 응집이 억제되고 합성된 anatase TiO₂ 나노 입자가 rutile TiO₂ 분말의 표면에 분산되어 존재하였다. 특히 계면활성제를 1 g 첨가한 경우에는 계면활성제가 첨가되지 않은 분말에 비해 rutile TiO₂ 분말의 표면에 상대적으로 많은 양의 anatase TiO₂ 나노 입자가 균일하게 형성되었고, 계면활성제의 첨가량이 증가함에 따라 부분적으로 수십 nm 크기로 응집된 anatase TiO₂ 나노 입자들이 존재하는 것으로 확인되었다.
계면활성제의 첨가량과는 무관하게 모든 혼합 분말에서 anatase TiO₂ 상과 rutile TiO₂ 상이 확인되었다. anatase TiO₂ 나노 입자와 rutile TiO₂ 분말을 습식 혼합한 혼합 분말의 경우에는 anatase TiO₂ 나노 입자들이 약 20 nm 크기로 응집되어 존재하였으나 합성을 통해 제조된 rutileanatase coupled TiO₂ 분말은 상대적으로 응집이 억제되고 합성된 anatase TiO₂ 나노 입자가 rutile TiO₂ 분말의 표면에 분산되어 존재하였다.
특히 계면활성제를 1 g 첨가한 경우에는 계면활성제가 첨가되지 않은 분말에 비해 rutile TiO₂ 분말의 표면에 상대적으로 많은 양의 anatase TiO₂ 나노 입자가 균일하게 형성되었고, 계면활성제의 첨가량이 증가함에 따라 부분적으로 수십 nm 크기로 응집된 anatase TiO₂ 나노 입자들이 존재하는 것으로 확인되었다. 또한 광촉매 특성을 분석한 결과 합성을 통해 제조된 rutile-anatase coupled TiO₂ 분말은 합성과정에서 rutile TiO₂ 분말의 표면에 형성된 Ti(OH)₄를 열처리하여 anatase TiO₂로 만드는 과정에서 rutile TiO₂ 분말과 anatase TiO2 나노 입자 간에 일부 소결이 진행되어 anatase TiO₂와 rutile TiO₂이 화학적인 결합을 형성하고 이를 통해 상대적으로 확장된 계면을 갖는 것을 확인하였으며, 결과적으로 계면활성제를 1 g 첨가하여 제조된 rutile-anatase coupled TiO₂ 분말이 다른 혼합 분말들에 비해 가장 우수한 광촉매 특성을 나타냈다.
anatase TiO₂ 나노 입자와 rutile TiO₂ 분말을 습식 혼합한 혼합 분말의 경우에는 anatase TiO₂ 나노 입자들이 약 20 nm 크기로 응집되어 존재하였으나 합성을 통해 제조된 rutileanatase coupled TiO₂ 분말은 상대적으로 응집이 억제되고 합성된 anatase TiO₂ 나노 입자가 rutile TiO₂ 분말의 표면에 분산되어 존재하였다. 특히 계면활성제를 1 g 첨가한 경우에는 계면활성제가 첨가되지 않은 분말에 비해 rutile TiO₂ 분말의 표면에 상대적으로 많은 양의 anatase TiO₂ 나노 입자가 균일하게 형성되었고, 계면활성제의 첨가량이 증가함에 따라 부분적으로 수십 nm 크기로 응집된 anatase TiO₂ 나노 입자들이 존재하는 것으로 확인되었다. 또한 광촉매 특성을 분석한 결과 합성을 통해 제조된 rutile-anatase coupled TiO₂ 분말은 합성과정에서 rutile TiO₂ 분말의 표면에 형성된 Ti(OH)₄를 열처리하여 anatase TiO₂로 만드는 과정에서 rutile TiO₂ 분말과 anatase TiO2 나노 입자 간에 일부 소결이 진행되어 anatase TiO₂와 rutile TiO₂이 화학적인 결합을 형성하고 이를 통해 상대적으로 확장된 계면을 갖는 것을 확인하였으며, 결과적으로 계면활성제를 1 g 첨가하여 제조된 rutile-anatase coupled TiO₂ 분말이 다른 혼합 분말들에 비해 가장 우수한 광촉매 특성을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광촉매(Photocatalyst)란?	광촉매(Photocatalyst)란 빛 에너지로부터 광화학반응에 의해 화학반응을 촉진시키는 물질을 의미하며, 빛 에너지의 흡수를 통해 생성된 전자와 정공이 광촉매의 표면에
	TiO2는 결정 구조에 따라 모두 광촉매로 사용가능하지만 중간상인 brookite를 거의 사용하지 않는 이유는?	우에는 자연상태에서는 거의 존재하지 않고 인위적으로도 순수한 brookite TiO2만을 합성하기는 쉽지 않기 때문에 TiO2와 관련한 대부분의 연구는 anatase TiO2와 rutile TiO2에 집중되어 왔으며[3,4], 특히 최근에는 상대적으로 좁은 밴드 갭(3.03 eV)에 기인한 전자-정공 재결합으로 인해 가시광선 영역에서의 사용이 극히 제한적인 rutile TiO2의 광촉매 특성 향상을 위해 금속 및 비금속 물질을 도핑하거나 표면처리 등을 통해 비표면적을 증가시키고 밴드 갭을 갖는 반도체 물질과 커플링(coupling)하는 등의 다양한 연구가 시도되고 있다[5-12].
	이산화 타이타늄(Titanium dioxide, TiO2)의 장점은?	이러한 광촉매 중에서도 이산화 타이타늄(Titanium dioxide, TiO2)은 광촉매의 필수 특성인 산화력이 매우 크며, 인체에 무해하고 더불어 화학적인 안정성이 뛰어나기 때문에 다른 광촉매와는 달리 반영구적인 사용이 가능하다는 장점을 지니는 가장 대표적인 광촉매 중의 하나이다[1,2]. TiO2는 결정 구조에 따라 저온 안정상인 anatase와

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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